Ερευνητές από το Columbia Μηχανικών και την έκθεση Georgia Institute of Technology σήμερα ότι έχουν κάνει την πρώτη πειραματική παρατήρηση της πιεζοηλεκτρισμός και την piezotronic επίδραση σε ατομικά λεπτό υλικό, διθειούχο μολυβδαίνιο (MoS 2 ), με αποτέλεσμα μια μοναδική ηλεκτρική γεννήτρια και συσκευές mechanosensation που είναι οπτικά διαφανής, εξαιρετικά ελαφρύ και πολύ εύκαμπτο και ελαστική.
Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε σε απευθείας σύνδεση 15η Οκτωβρίου του 2014, στη Φύση , ερευνητικές ομάδες από τα δύο θεσμικά όργανα αποδεικνύουν τη μηχανική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τη δισδιάστατη (2D) MoS 2 υλικό. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο σε αυτό το υλικό είχε προηγουμένως προβλεφθεί θεωρητικά.
Πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα πολύ γνωστό αποτέλεσμα στο οποίο τέντωμα ή συμπίεση ενός υλικού προκαλεί να παράγει μια ηλεκτρική τάση (ή το αντίστροφο, στην οποία ένα εφαρμοζόμενη τάση αναγκάζει να διαστέλλεται ή να συστέλλεται). Αλλά για τα υλικά του λίγες μόνο ατομικό πάχη, καμία πειραματική παρατήρηση της πιεζοηλεκτρισμός έχει γίνει μέχρι τώρα. Η παρατήρηση ανέφερε σήμερα παρέχει μια νέα ιδιότητα για δύο-διαστάσεων υλικά, όπως διθειούχο μολυβδαίνιο, ανοίγοντας τη δυνατότητα για νέες μορφές ελεγχόμενης μηχανικώς ηλεκτρονικές συσκευές.
"Το υλικό αυτό-ένα μόνο στρώμα ατόμων-θα μπορούσε να γίνει ως μια wearable συσκευή, ίσως ενσωματωθεί σε είδη ένδυσης, να μετατρέπουν την ενέργεια από την κίνηση του σώματος σας με την ηλεκτρική ενέργεια και τη δύναμη wearable αισθητήρες ή ιατροτεχνολογικά βοηθήματα, ή ίσως παρέχουν αρκετή ενέργεια για να φορτίσετε το κινητό σας το τηλέφωνο στην τσέπη σας », λέει ο James Hone , καθηγητής μηχανολογίας στο Columbia και συν-επικεφαλής της έρευνας.
"Απόδειξη του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και piezotronic εφέ προσθέτει νέες λειτουργίες για αυτά τα δύο διαστάσεων υλικά," λέει ο Zhong Lin Wang, καθηγητής Regents »στη Σχολή Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών του Georgia Tech και συν-επικεφαλής της έρευνας. «Η κοινότητα των υλικών είναι ενθουσιασμένος για δισουλφιδίου μολυβδαίνιο, και αποδεικνύοντας την πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο σε αυτό προσθέτει μια νέα πτυχή για το υλικό."
Καθηγητής James Hone (δεξιά) και μεταδιδακτορικός υπότροφος, Lei Wang, έχουν διερευνά ενεργά τις νέες ιδιότητες 2D υλικά όπως MoS2 και γραφενίου, όπως είναι τεντωμένο και συμπιέζονται.
-Photo Από Jane Nisselson
Εξασκήστε και η ερευνητική του ομάδα απέδειξαν το 2008 ότι το γραφένιο, ένα 2D μορφή του άνθρακα, είναι το ισχυρότερο υλικό. Αυτός και ο Lei Wang, ένας μεταδιδακτορικός συνεργάτης στην ομάδα Hone του, έχουν διερευνά ενεργά τις νέες ιδιότητες 2D υλικά όπως γραφενίου και MoS 2 , δεδομένου ότι είναι τεντωμένο και συμπιέζονται.
Zhong Lin Wang και η ερευνητική του ομάδα πρωτοπόρος στον τομέα των πιεζοηλεκτρικών nanogenerators για τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτός και ο μεταδιδακτορικός υπότροφος Wenzhuo Wu αναπτύσσουν επίσης piezotronic συσκευές, που χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικά τέλη για τον έλεγχο της ροής του ρεύματος μέσω του υλικού ακριβώς όπως κάνουν οι τάσεις πυλών στο συμβατικό τρεις-τερματικό τρανζίστορ.
Υπάρχουν δύο κλειδιά για τη χρήση διθειούχο μολυβδαίνιο για την παραγωγή ρεύματος: χρησιμοποιώντας ένα μονό αριθμό στρωμάτων και κάμπτεται στην κατάλληλη κατεύθυνση. Το υλικό είναι ιδιαίτερα πολικές, αλλά, Zhong Lin Wang σημειώνει, έτσι ώστε ένα ζυγό αριθμό στρωμάτων ακυρώνει το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Κρυσταλλική δομή του υλικού είναι επίσης πιεζοηλεκτρικό μόνο σε ορισμένες κρυσταλλικές κατευθύνσεις.
Για τη φύση της μελέτης, η ομάδα του Hone τοποθετούνται λεπτές νιφάδες του MoS 2 σε εύκαμπτα πλαστικά υποστρώματα και προσδιορίζεται πώς κρυστάλλους τους ήταν προσανατολισμένες χρησιμοποιώντας οπτικές τεχνικές. Στη συνέχεια μοτίβο ηλεκτρόδια μετάλλου επί των νιφάδων. Σε έρευνα που έγινε στο Georgia Tech, η ομάδα του Wang εγκατεστημένα ηλεκτρόδια μετρήσεων σε δείγματα που παρέχονται από την ομάδα Hone, τότε το μετρούμενο ρεύμα ροές όπως τα δείγματα μηχανικά παραμορφωθεί. Αυτοί παρακολουθούνται τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική, και παρατηρούμενης τάσης και ρεύματος εξόδους.
Οι ερευνητές σημειώνουν επίσης ότι η τάση εξόδου αντιστραφεί σημάδι όταν άλλαξαν την κατεύθυνση της εφαρμοσμένης στέλεχος, και ότι εξαφανίστηκε σε δείγματα με άρτιο αριθμό των ατομικών στρωμάτων, επιβεβαιώνοντας τις θεωρητικές προβλέψεις που δημοσιεύθηκε πέρυσι. Η παρουσία piezotronic επίδραση σε περίεργη στρώμα MoS 2 παρατηρήθηκε επίσης για πρώτη φορά.
"Αυτό που είναι πραγματικά ενδιαφέρον είναι ότι έχουμε τώρα βρεθεί ότι ένα υλικό όπως MoS 2 , η οποία δεν είναι πιεζοηλεκτρικά σε χύμα μορφή, μπορεί να γίνει πιεζοηλεκτρικό όταν λεπταίνονταν σε ένα ενιαίο ατομικό επίπεδο », λέει ο Wang Lei.
Για να είναι πιεζοηλεκτρικά, ένα υλικό πρέπει να σπάσει την κεντρική συμμετρία. Ένα ενιαίο στρώμα ατομική του MOS 2 έχει μια τέτοια δομή, και θα πρέπει να είναι πιεζοηλεκτρικά. Ωστόσο, στο μεγαλύτερο μέρος MoS 2 , οι διαδοχικές στρώσεις προσανατολίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, και να δημιουργήσει θετικές και αρνητικές τάσεις που αλληλοαναιρούνται και να δώσει μηδενική καθαρή πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
"Αυτό προσθέτει ένα άλλο μέλος στην οικογένεια των πιεζοηλεκτρικά υλικά για λειτουργικές συσκευές», λέει ο Wenzhuo Wu.
Μια ατομικά λεπτό υλικό, διθειούχο μολυβδαίνιο (MoS2), φαίνεται, θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για τη μοναδική ηλεκτρικές συσκευές γεννήτρια και mechanosensation που είναι οπτικά διαφανής, εξαιρετικά ελαφρύ και πολύ εύκαμπτο και ελαστική.
-Image Ευγένεια του Rob Felt / Georgia Tech
Στην πραγματικότητα, MoS 2 είναι μόνο ένα από μια ομάδα 2D ημιαγώγιμων υλικών είναι γνωστή ως μέταλλο μεταπτώσεως dichalcogenides, όλα από τα οποία αναμένεται να έχουν παρόμοιες πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες. Αυτά είναι μέρος μιας ακόμη μεγαλύτερης οικογένειας 2D υλικά των οποίων πιεζοηλεκτρικά υλικά παραμένουν ανεξερεύνητα. Είναι σημαντικό ότι, όπως έχει δειχθεί από Hone και τους συνεργάτες του, 2D υλικά μπορούν να τεντώνεται πολύ μακρύτερα από τα συμβατικά υλικά, ιδιαίτερα παραδοσιακά κεραμικά piezoelectrics, τα οποία είναι αρκετά εύθραυστο.
Η έρευνα θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα για την ανάπτυξη νέων εφαρμογών για το υλικό και τις μοναδικές του ιδιότητες.
"Αυτή είναι η πρώτη πειραματική εργασία σε αυτόν τον τομέα και είναι ένα κομψό παράδειγμα του πώς ο κόσμος γίνεται διαφορετικά όταν το μέγεθος του υλικού που συρρικνώνεται με την κλίμακα ενός μόνο ατόμου," Hone προσθέτει. "Με αυτό που μαθαίνουμε, είμαστε πρόθυμοι να χτίσει χρήσιμες συσκευές για όλα τα είδη εφαρμογών."
Τελικά, Zhong Lin Wang σημειώνει, η έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει σε πλήρη ατομικό πάχους νανοσυστήματα που είναι αυτο-τροφοδοτείται από τη συγκομιδή μηχανικής ενέργειας από το περιβάλλον. Αυτή η μελέτη αποκαλύπτει επίσης την piezotronic επίδραση σε δύο-διαστάσεων υλικά για πρώτη φορά, το οποίο διευρύνει σημαντικά την εφαρμογή των στρώσεων υλικών για ανθρώπου-μηχανής διασύνδεσης, ρομποτική, MEMS, και ενεργός εύκαμπτα ηλεκτρονικά.
Για τη μελέτη αυτή, η ερευνητική ομάδα εργάστηκε επίσης με τον Tony Heinz, David M. Rickey καθηγητής Οπτικών Επικοινωνιών στο Columbia Μηχανικών και καθηγητής της φυσικής στο Graduate School of Arts and Sciences της Κολούμπια.
Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), Γραφείο Βασικών Επιστημών Ενέργειας (BES) (Νο DE-FG02-07ER46394) και το αμερικανικό Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (DMR-1122594).
-από Holly Evarts
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
skaleadis